光功能材料

光功能材料
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固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波 的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收， 晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用 以及光电作用、光磁作用等。基于这些性质，可以 开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光 材料以及各种光功能转化材料等。
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固体光吸收的本质
我们先讨论纯净物质对光的吸收。
导带 能隙 （禁带）
价带
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例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于 紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至 红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱金 属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25μm到250nm， 相当于0.05~5ev的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照 射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙， 进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由价带到导 带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。例如， CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸 收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev
基础吸收或固有吸收 固体中电子的能带结构，绝 缘体和半导体的能带结构如图所 示，其中价带相当于阴离子的价 电子层，完全被电子填满。导带 和价带之间存在一定宽度的能隙 （禁带），在能隙中不能存在电 子的能级。这样，在固体受到光 辐射时，如果辐射光子的能量不 足以使电子由价带跃迁至导带， 那么晶体就不会激发，也不会发 生对光的吸收。
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激子吸收
除了基础吸收以外，还有一类吸收，
其能量低于能隙宽度，它对应于电子由
价带向稍低于导带底处的能级的跃迁有 关。这些能级可以看作是一些电子 - 空 穴（或叫做激子，excition）的激发能 级（图2）。处于这种能级上的电子，
导带 激子能级
能隙(禁带）
不同于被激发到导带上的电子，不显示
光导电现象，它们和价带中的空穴偶合
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激光发生装置原理图
1、激光激励装置
如红宝石激光激励装置 为脉冲氙灯
2、激光工作物质
产生激光的材料如红宝 石、钇铝石榴石等晶体
3、激光放大谐振腔
放大激光装置，一面镜 子全反射相应波长的激 光，另一面镜子部分透 过激光。
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2、激光的产生
当激光工作物质的粒子吸收了外来能量后，就要从 基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁达到一 个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长,所以粒子数 目不断积累增加,这就是泵浦过程。当亚稳态粒子数目 大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要 跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他 粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了 放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用， 便构成光振荡，并发出强大的激光。
价带
成电子-空穴对，作为整体在晶体中存
在着或运动着，可以在晶体中运动一段
距离（~1μm）后再复合湮Байду номын сангаас。
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一、激 光 材 料
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世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为 一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭 新的一页。激光的出现又极大的促进了光学材料的 发展。到目前为止，就各种激光器而言，已经产生 了数百种新型激光工作物质如各种激活晶体和玻璃, 半导体、有机液体及气体等。
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激光的特点：
1）相干性好。所有发射的光具有相同的相位。 2）单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特 定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。 3）方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过 几次发射后被逸散掉。 4）亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的 辐射亮度比普通光高108-1010倍。
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4）荧光量子效率 也可表示为荧光转换效率，是表征辐射系统功效大小的
物理量，也是激光器的重要参数。
荧光量子效率η0定义为发射荧光的光子数n2与被激活物 质从激励源吸收的光子数n1之比。
η0=n2/n1 荧光转换效率取决于工作物质特性、粒子数跃迁方式及
无辐射跃迁几率和辐射跃迁几率等因数。
I ；
常见的三种固体工作物质的量子效率分别为：红宝石为
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三、激光材料
对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生 激光的能级，其中的上能级有足够长的寿命，即 粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时间。 因而能在该能级上积累比较多的粒子，与下能级 之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间 有一定强度的跃迁，以产生激光。工质材料的质 量优劣将直接影响激光器件的性能。
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二、激光的产生
1、激光器的构成 激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分组成 的。 1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，它 是激光器的核心。如含Cr3+的红宝石。 2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发 到激发态能级，以获得粒子数的反转，就需要激励源 供给能量。 3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振 腔。
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1、激光材料的特征值
1）材料的吸收光谱 吸收光谱是指物质在光频范围里的吸收系数按光频率分 布的总体。材料的吸收光谱直接表征发光中心与材料的 组成、结构的关系，以及环境对它的影响。 2）材料的荧光光谱 发光物质发射光子的能量按频率分布的总体称为该物质 的荧光光谱，也称发射光谱。 3）材料的激发光谱 激发光谱是指使物质产生发光时激励光按频率分布的总 体。通过激发光谱的测定可以确定有效吸收带的位置， 即吸收光谱中哪些吸收带对产生某个荧光光谱带是有贡 献的。
3）受激发射：处于高能级的原子不仅可以自发发射，而且 可以在入射频率ν21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级上。 这种过程称为受激发射。
2、粒子数反转：要想使受激辐射占优势，就必须使N2大 于N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就 有可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1，称 为粒子数反转分布。
激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、 激光调频材料和偏转材料。
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一、激光的基本原理
1、光的吸收和发射
辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。
1）受激吸收：当处于低能级E1的原子吸收入射光子，然后 跃迁到高能级E2上。这种过程称为受激吸收。
2）自发发射：跃迁到能级E2的原子不稳定，它会自发地通 过辐射一个能量的光子返回到E1能级上。